高慶學(xué) 平雪良,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

高壓脈沖電場共場式殺菌處理腔的仿真分析與優(yōu)化

高慶學(xué)1平雪良1,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

殺菌處理腔是高壓脈沖電場(Pulsed Electric Field, PEF)處理系統(tǒng)的重要組成部分，為了開發(fā)出適合于多個(gè)處理腔串聯(lián)組合使用的處理腔單元，對橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔進(jìn)行了建模，并利用ANSYS軟件得到處理腔內(nèi)的電場分布和流體動(dòng)力學(xué)特性，然后在仿真分析的基礎(chǔ)上，對處理腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種基于流體特性優(yōu)化的新型共場式殺菌處理腔結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)證該處理腔的性能可以滿足多處理腔單元串聯(lián)組合使用的要求，為進(jìn)一步優(yōu)化高壓脈沖電場殺菌處理腔提供了新思路。

高壓脈沖電場；殺菌處理腔；流體動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Abstract： As an important part of the high-voltage pulsed electric field (Pulsed Electric Field, PEF) processing system, in order to develop a processing chamber unit suitable for use in combination with multiple processing chambers, we modeled the elliptical embedded type field sterilization processing chamber, and the electric field distribution and hydrodynamic characteristics of the chamber were obtained by ANSYS software. Furthermore, based on the simulation analysis, the structure of the processing chamber was optimized, and a new type of total field sterilization treatment chamber based on the optimization of fluid properties was proposed. It was proved that the performance of the processing chamber could meet the requirements of multi-processing chamber unit series combination, and this could provide some ideas for further optimizing the high-voltage PEF sterilization processing chamber.

Keywords： high-voltage pulsed electric field; sterilization chambers; hydrodynamics; numerical simulation; optimized design

PEF殺菌處理腔結(jié)構(gòu)和參數(shù)不僅會(huì)改變PEF殺菌處理系統(tǒng)的處理量，而且會(huì)改變殺菌處理區(qū)域的電場、流場及溫度場的分布，并最終影響殺菌效果[1]。而電場強(qiáng)度分布情況是物理耦合場中關(guān)鍵影響因素，通過調(diào)整脈沖電源的電壓可以控制處理腔內(nèi)的電場強(qiáng)度分布，但過高的工作電壓會(huì)給操作者帶來危險(xiǎn)[2]，有不少研究者[3-5]采用不同的處理腔結(jié)構(gòu)及參數(shù)較好地改善了處理腔內(nèi)的電場強(qiáng)度分布。之后人們開始關(guān)注處理腔內(nèi)的流體特性和溫度變化，因?yàn)槲锪系幕旌暇鶆虺潭葘⒅苯佑绊懙秸w的殺菌效果，而溫度過高則會(huì)破壞食品營養(yǎng)成分[6]。共場處理室的結(jié)構(gòu)雖然相對比較簡單，但在設(shè)計(jì)過程中要考慮的因素很多，如結(jié)構(gòu)尺寸、系統(tǒng)參數(shù)、流體特性、電場和溫度場分布等都給實(shí)際設(shè)計(jì)與分析帶來了許多困難[7]。因此為了驗(yàn)證處理腔的可靠性，對處理腔內(nèi)的電場、流場進(jìn)行仿真分析顯得尤為重要。

研究[8]表明，橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔單元具有較合理的電場分布和流場分布。本研究將以此處理腔單元為基礎(chǔ)，通過確定具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模、商業(yè)化規(guī)模的處理腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體特性參數(shù)配置，并在ANSYS軟件環(huán)境下進(jìn)行電場和流體動(dòng)力學(xué)分析，以驗(yàn)證殺菌處理腔殺菌過程中的物理場可靠性，期待為設(shè)計(jì)適用于商業(yè)化的PEF處理腔單元提供一種新思路。

1 數(shù)值模擬在處理腔研究中的應(yīng)用

研究[9-10]表明，電場強(qiáng)度是耦合物理場中最關(guān)鍵的一個(gè)影響因素，由于不同微生物的電場抗性存在差異，所以不同菌種的滅活需要不同的電場強(qiáng)度，實(shí)際殺菌需要的電場強(qiáng)度為1.5～8.0 kV/mm。對于大多數(shù)微生物而言，增大電場強(qiáng)度，可以提高PEF殺菌率。在勻強(qiáng)電場中，提高電壓可以提高電場強(qiáng)度，但對電源裝置的要求較高，而且操作安全性低，因此，在避免出現(xiàn)尖峰電場的情況下，可以設(shè)法改變處理腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過施加低電壓來獲得較高強(qiáng)度的局部均勻的電場。處理腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不僅會(huì)改變高壓電場處理系統(tǒng)的處理量，也會(huì)改變處理區(qū)域耦合物理場的分布，直接影響到實(shí)際的殺菌效果。另外，殺菌處理腔中流場特性也是影響系統(tǒng)殺菌效果和食品質(zhì)量的主要因素。流體速度還會(huì)影響處理腔的溫度，由于處理腔內(nèi)壁處的流速較低，所以最大溫度出現(xiàn)在內(nèi)壁處[11]。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，處理腔內(nèi)的電場分布和流體特性很難通過試驗(yàn)測量，對殺菌處理腔內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)及電場分布進(jìn)行數(shù)值模擬，以避免局部食品物料的過處理或欠處理以及介質(zhì)擊穿等現(xiàn)象，所以，數(shù)值模擬旨在直觀地理解處理腔內(nèi)物理場的分布情況，以優(yōu)化處理腔的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)而改善電場和流場分布的合理性[12]。

在國外，為了得到處理腔內(nèi)均勻分布的電場，研究人員在設(shè)計(jì)和研究處理腔時(shí)，運(yùn)用了基于有限元分析的數(shù)值模擬方法，使殺菌處理腔不僅能保持電場的均勻性分布，而且能保證待處理流體物料的合理性流動(dòng)，極具有工業(yè)化應(yīng)用的價(jià)值。例如，Roman Buckow等利用有限元分析的方法，在COMSOL Multiphysics軟件環(huán)境下對一種中試規(guī)模的共場式殺菌處理腔進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出了處理腔幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)與流體速度、電場分布、溫度升高及物料滯留時(shí)間之間的關(guān)系[13]；還基于仿真分析結(jié)果，討論了共場式處理腔的幾何結(jié)構(gòu)對電場分布和能量利用的影響，并給出了具體的參考方程，提出了一種基于三場耦合特性優(yōu)化的橢圓內(nèi)嵌式共場殺菌處理腔結(jié)構(gòu)[1]。Kai Knoerzer等[14]在對目前大量的食品殺菌處理腔仿真研究成果總結(jié)之后，指出今后的仿真分析除了要考慮三場耦合特性之外，還要考慮到處理腔內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)，并且期待未來能開發(fā)出處理腔內(nèi)電場、溫度場和流場的試驗(yàn)測量方法和工具，以推動(dòng)處理腔的研究和應(yīng)用。

在中國，陳錦權(quán)[15]較早地運(yùn)用Laplace方程對殺菌處理腔內(nèi)的電位分布進(jìn)行了研究，結(jié)合粘性牛頓流體方程獲取了殺菌處理腔內(nèi)的電場強(qiáng)度及流場分布情況，設(shè)計(jì)了適用于工業(yè)化生產(chǎn)使用的PEF殺菌處理腔。前期的研究者當(dāng)中，方婷等[16-17]利用ANSYS軟件分析了不同結(jié)構(gòu)的同軸處理腔內(nèi)的電場強(qiáng)度；金偉[2]在COMSOL Multiphysics環(huán)境下對共場式殺菌處理腔中的3種物理場耦合特性進(jìn)行了分析和優(yōu)化，提出了一種具有電場、溫度場及流場三場耦合特性比較良好的新型共場式處理腔；解效白等[18]則在Maxwell軟件平臺下對同軸式處理腔的電場分布進(jìn)行了仿真分析，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對處理腔設(shè)計(jì)尺寸提出了改進(jìn)方案。

2 仿真分析

2.1 控制方程

描述流體運(yùn)動(dòng)的都是連續(xù)的偏微分方程，在大多數(shù)情況下，不可能得到其解析解，在CFD中，通過數(shù)值方法對這些方程進(jìn)行計(jì)算近似解。常用的CFD軟件對控制方程的離散方式包括有限元法、有限差分法以及有限體積法3種。目前，有限體積法是主流CFD軟件所采用的算法，也是Fluent軟件所采用的計(jì)算方法[19]。

一般來說，殺菌處理腔內(nèi)的流體物料可視為牛頓流體，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)的控制方程主要包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

伴隨殺菌處理腔內(nèi)的溫升，物料的密度、電導(dǎo)率以及黏度均會(huì)發(fā)生一定的變化，所以流體的連續(xù)性方程可以定義為：

(1)

式中：

ρ——流體的密度，是壓力P(Pa)和溫度T(℃)的函數(shù)，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

本研究的PEF殺菌處理腔尺寸為4～8 mm，處理量為10～2 000 L/h，可以利用雷諾公式判斷這些處理腔內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，雷諾方程描述：

Re=ρν0r/η，

(2)

式中：

Re——雷諾數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

r——管道的半徑，mm；

η——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s。

仿真所采用的處理腔內(nèi)徑尺寸和速度匹配之后得出的雷諾數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)2 320，因此處理腔內(nèi)流體物料為湍流。處于湍流狀態(tài)的流體滿足動(dòng)量守恒方程，定義為：

(3)

式中，

ηT——流體湍流時(shí)的動(dòng)力黏度，Pa·s；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

其中，ηT定義為：

(4)

式中：

Cμ——模型常數(shù)，取值0.09 J/(kg·K)；

k——湍流動(dòng)能，m2/s2；

ε——湍流耗散率，m2/s3。

2.2 仿真分析過程

2.2.1 模型建立 在前期設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，建立PEF殺菌處理腔的 3D 模型(見圖1)，并導(dǎo)入 ANSYS Fluent 軟件，經(jīng)過修飾等前處理成為 ANSYS Fluent 可分析的模型。

2.2.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分技術(shù)是獲得離散方程的一個(gè)關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量直接決定了 Fluent 軟件的計(jì)算精度和運(yùn)行效率，對于繁復(fù)的計(jì)算問題，網(wǎng)格劃分耗時(shí)且易出錯(cuò)，占到整個(gè)軟件使用時(shí)間的80%。采用四面體自由網(wǎng)格劃分工具，并在管壁處添加膨脹層，生成的網(wǎng)格見圖2。

圖1 共場式殺菌處理腔3D模型

圖2 流場分析的網(wǎng)格劃分效果(以內(nèi)徑6 mm結(jié)構(gòu)為例)

2.2.3 分析設(shè)置與求解 根據(jù) ANSYS Meshing 劃分的網(wǎng)格，利用 Fluent 中的穩(wěn)態(tài)求解器，選用k-ε湍流計(jì)算模型，流體材料采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%的 NaCl 溶液，密度 1 000 kg/m3，比熱容 4 216 J/(kg·K)，導(dǎo)熱性系數(shù)0.677 W/(m·K)，動(dòng)力黏度 0.8 mPa·s。流體的邊界條件：入口流速為沿軸向的V0，水力直徑 0.006 m，初始溫度 293 K；出口的水力直徑 0.006 m，湍流強(qiáng)度 10%；管壁處的參數(shù)缺省。初始化流場，計(jì)算穩(wěn)態(tài)過程。在計(jì)算過程中，通過設(shè)置殘差曲線，監(jiān)視計(jì)算結(jié)果的收斂性。

2.2.4 后處理 以處理腔內(nèi)徑6 mm、入口流速1.55 m/s的仿真計(jì)算過程為例，正如殘差曲線所示(見圖3)，經(jīng)過712步的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果收斂。然后在CFD-Post組件中，通過設(shè)置視圖選項(xiàng)、創(chuàng)建等值面等，得到各個(gè)處理腔內(nèi)部流體的速度輪廓圖、速度矢量圖以及流線圖。

2.3 仿真分析結(jié)果

本研究對內(nèi)徑尺寸(即圖1中尺寸參數(shù)d)為2～14 mm的橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔作了流體動(dòng)力學(xué)分析，通過對不同管道內(nèi)徑尺寸的處理腔施加不同的入口流速，獲得了在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模以及商業(yè)規(guī)模的處理量要求下的流體特性，選取內(nèi)徑典型值為6 mm的處理腔流場分析結(jié)果作重點(diǎn)討論。

圖3 Fluent計(jì)算過程的殘差曲線(以內(nèi)徑6 mm處理腔為例)

Figure 3 Fluent calculation process of the residual curve (6 mm diameter treatment chamber as an example)

由圖4可以看出，在入口流速為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(處理量10 L/h 對應(yīng)的入口流速為0.098 m/s)時(shí)，處理腔內(nèi)流體的低速區(qū)域在出口處電極與絕緣體交界處呈對稱分布，且區(qū)域面積較?。话殡S入口流速提高，低速滯留區(qū)域逐漸向一側(cè)偏移，達(dá)到中試規(guī)模(處理量100 L/h要求的入口流速為0.982 m/s)時(shí)，流體在靠近出口的電極管道壁處的滯留區(qū)已經(jīng)相當(dāng)大；有趣的是，在中試規(guī)模向商業(yè)規(guī)模處理量過渡的流速段，滯留區(qū)域面積存在明顯衰減現(xiàn)象；但是當(dāng)流速提高到商業(yè)規(guī)模(處理量1 000 L/h要求的入口流速為9.824 m/s)時(shí)，大面積的滯留區(qū)域出現(xiàn)在出口處中心，這將更不利于多個(gè)處理腔串聯(lián)組合使用。

根據(jù)以上分析，發(fā)現(xiàn)橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔單元在商業(yè)化要求下，流體特性欠佳，需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以改善流體特性。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

如圖5所示，優(yōu)化后的共場處理腔的金屬空心管狀高壓電極、金屬空心管狀接地電極的內(nèi)部空腔具有一定錐度，幾何形狀為圓臺狀，兩者孔徑較小的端面分別與絕緣體隔離管的孔兩側(cè)緊貼，圓臺狀空腔的大端內(nèi)徑為2～14 mm，絕緣體隔離管的橢圓狀凸起的長軸長度與此間距接近或相等。絕緣體隔離管的內(nèi)部凸起仍為橢圓形。金屬電極材料為不銹鋼316L，絕緣體隔離管采用聚四氟乙烯材料。

3.2 仿真分析驗(yàn)證

對處理腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行電場強(qiáng)度分布的仿真分析，以金屬空心管狀電極大端內(nèi)徑為6 mm的處理腔為例。電場分析結(jié)果見圖6，在采用帶錐度的金屬電極管以后，處理腔內(nèi)的電場強(qiáng)度分布與采用普通電極時(shí)一致：即高強(qiáng)度電場集中分布在橢圓狀凸起處的殺菌處理區(qū)域，處理區(qū)域的電場強(qiáng)度平均值為1.557～2.336 kV/mm，可以滿足實(shí)際微生物滅活的需要；在絕緣體隔離管和金屬電極交界處也不存在尖峰電場，電場整體分布較均勻合理。所以該結(jié)構(gòu)具有很好的電場特性。同樣，其他幾種內(nèi)徑尺寸的處理腔的電場分布分析結(jié)果與此一致，獲得了理想的電場分布。

圖4 內(nèi)徑6 mm的PEF殺菌處理腔單元的流速分布云圖

圖5 PEF殺菌處理腔單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

Figure 5 The structure optimization program of PEF sterilization treatment chamber unit

圖6 優(yōu)化后PEF處理腔單元的電場分布云圖(以大端內(nèi)徑6 mm結(jié)構(gòu)為例)

Figure 6 Electric field distribution of the PEF treatment chamber unit after optimization (with large diameter 6 mm structure as an example)

由圖7可知，在不同的入口流速條件下，隨著流速的提高，處理腔內(nèi)不存在大面積的物料滯留區(qū)域，而且隨著流速進(jìn)一步提高，在商業(yè)規(guī)模(即入口流速為9.824 m/s)時(shí)，流體處于明顯的湍流狀態(tài)，有利于物料充分混合，有利于提高殺菌處理效果。其他幾種內(nèi)徑尺寸的處理腔在不同入口流速條件下的分析結(jié)果與此類似，都不再出現(xiàn)大面積的物料滯留區(qū)域，獲得了良好的流體特性。

由圖8可知，在不同入口流速條件下，前后兩級處理腔的出口處都不存在物料滯留區(qū)域，表明該方案很好地解決了處理腔單元優(yōu)化前存在的流場分布不均的問題，能滿足多處理腔組合殺菌處理的需要。在入口流速為 0.098～0.982 m/s時(shí)(即處理腔的處理量從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模向中試規(guī)模過渡的階段)，整個(gè)處理腔內(nèi)僅在靠近管壁處存在很小面積的低速區(qū)域，與原發(fā)明專利中描述的尺寸較小、流速較低的情況類似，而對PEF殺菌的實(shí)驗(yàn)室研究影響較小，所以該結(jié)構(gòu)適用于科研。另一方面，當(dāng)入口流速在0.982～9.824 m/s時(shí)(即處理量在100～1 000 L/h時(shí))，整個(gè)組合處理腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的物料流速分布比較均勻，而且隨著入口流速提高或者處理腔串聯(lián)個(gè)數(shù)的增加，湍流現(xiàn)象越來越明顯，甚至消除了低流速時(shí)管壁處的低速區(qū)域，這將有利于物料的充分混合，使殺菌更加徹底。故該優(yōu)化后的PEF殺菌處理腔詳細(xì)結(jié)構(gòu)方案，在不同處理量規(guī)模下具有理想的流體動(dòng)力學(xué)特性。

因此，優(yōu)化后的處理腔單元結(jié)構(gòu)不僅能在物料處理區(qū)域獲得較理想的流場、電場分布特性，而且在靠近物料出口處可以獲得較均勻的流速分布，能解決普通電極內(nèi)腔中隨著入口流速提高或處理室尺寸增大而造成出口處流速分布不均勻的問題，有利于多處理室組合使用，以提高殺菌處理效率。該新型共場處理室單元的處理效率可以滿足商用規(guī)模的應(yīng)用要求，具有性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊、組合使用方便等優(yōu)點(diǎn)，為高壓脈沖電場殺菌的商業(yè)化應(yīng)用提供了可能。

圖7 優(yōu)化后PEF殺菌處理腔單元的流速分布云圖(以大端內(nèi)徑6 mm結(jié)構(gòu)為例)

圖8 PEF殺菌處理腔組合的流速分布云圖

4 結(jié)論

目前，中國對PEF殺菌處理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用還未達(dá)到商業(yè)化規(guī)模的要求，而橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔的耦合場特性適合于工業(yè)應(yīng)用，但是研究發(fā)現(xiàn)其在組合使用時(shí)流體特性欠佳。本研究建立了橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔單元的三維模型，利用 ANSYS 軟件及其子軟件 ANSYS Fluent 的強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算功能，對內(nèi)徑 2～14 mm 的橢圓內(nèi)嵌式處理腔單元進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)和電場分析；并對仿真分析結(jié)果進(jìn)行了比較，總結(jié)了該種處理腔結(jié)構(gòu)在商業(yè)應(yīng)用規(guī)模下的優(yōu)勢和缺點(diǎn)；結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并進(jìn)一步做了仿真分析驗(yàn)證。得出如下主要結(jié)論：

(1) 橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔單元在結(jié)構(gòu)尺寸增大以及串并聯(lián)組合后，電場強(qiáng)度分布比較均勻，不存在尖峰電場，而且高強(qiáng)度的電場集中分布在殺菌處理區(qū)域，電場分布特性較理想。

(2) 未優(yōu)化的橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔單元在結(jié)構(gòu)尺寸增大和入口流速提高時(shí)，處理腔靠近出口處的金屬電極管道內(nèi)將出現(xiàn)大面積的物料滯留區(qū)，在多個(gè)處理腔組合使用時(shí)成為處理死區(qū)，造成殺菌處理不徹底。

(3) 在原有橢圓內(nèi)嵌型共場式殺菌處理腔的基礎(chǔ)上，基于流體特性優(yōu)化后，提出的一種內(nèi)部帶有錐度的金屬電極管結(jié)構(gòu)不僅能使處理腔獲得理想的電場強(qiáng)度分布，而且可以使物料出口處獲得良好的流體特性，這將有利于多個(gè)處理腔的組合殺菌處理，為PEF殺菌處理腔的商業(yè)化提供了新思路。

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Simulation analysis and optimization of pulsed electric field co-field sterilization treatment chambers

GAO Qing-xue1PINGXue-liang1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.018

高慶學(xué)，男，江南大學(xué)在讀本科生。

平雪良(1962—)，男，江南大學(xué)教授，博士。 E-mail: ping@jiangnan.edu.cn

2017—06—07